¿cuanto han aprendido los estudiantes

Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
SECUENCIA DE ENSEÑANZA BASADA EN LA INVESTIGACIÓN, PARA MEJORAR
LA COMPRENSIÓN DEL CONCEPTO DE CAPACIDAD ELÉCTRICA EN PRIMER
CURSO DE UNIVERSIDAD
(Research based teaching sequence for enhancing electrical capacitance understanding at first
fist year of university)
Jenaro Guisasola [[email protected]]
Departamento de Física Aplicada. Universidad del País Vasco
José Luis Zubimendi [[email protected]]
Departamento de Física Aplicada. Universidad del País Vasco
Ángel Franco [[email protected]]
Departamento de Física Aplicada. Universidad del País Vasco
Mikel Ceberio [[email protected]]
Departamento de Física Aplicada. Universidad del País Vasco
Resumen
En el currículo de electricidad para cursos introductorios de física en la universidad y
últimos cursos de Secundaria, habitualmente no se suele contemplar una secuencia de enseñanza
que analice la transición de cargas puntuales a cuerpos cargados, impidiendo la construcción de un
modelo que sea capaz de explicar los aspectos relativos al proceso de carga de un cuerpo, la
acumulación de carga y su relación con el potencial que adquiere. Esto constituyó un problema
histórico relevante y exigió, para su resolución, la introducción de un nuevo concepto, el de
capacidad eléctrica. El trabajo que aquí presentamos tiene como objetivo el diseño y evaluación de
una secuencia de enseñanza que intente superar las dificultades de aprendizaje detectadas en la
bibliografía. La estructura de la secuencia, se concretó en actividades siguiendo un diseño de
‘estructura problematizada’. Los problemas que definen la secuencia se manifestaron al realizar un
análisis paso a paso de la transferencia de cargas de un cuerpo a otro, estableciendo relaciones entre
el movimiento de las cargas (nivel microscópico) y el análisis energético del sistema (nivel
macroscópico). Los resultados de la implementación de la secuencia indican que un considerable
número de estudiantes han alcanzado una comprensión más satisfactoria sobre la capacidad
eléctrica de los cuerpos y los procesos de carga. Esto parece confirmar que los aspectos resaltados
en la secuencia son relevantes para los objetivos definidos.
Palabras clave: Condensador; Capacidad eléctrica; Enseñanza como desarrollo de investigaciones
guiadas.
Abstract
In the electricity curriculum for introductory university physics courses and final secondary
school courses, no provision is normally made for a teaching sequence which analyses the transition
of specific charges to charged bodies, thus preventing the construction of a model able to explain
the aspects connected with the process of charging a body, accumulating the charge and its relation
to the potential acquired. This constituted a relevant historical problem and demanded the
introduction of a new concept, that of electrical capacitance, to solve it. The aim of the work
presented here is to design and assess a teaching sequence which endeavours to overcome the
difficulties in learning found in the bibliography. The structure of the sequence was established in
activities following a “problematised structure” design. The problems defining the sequence
appeared when a step-by-step analysis of the transfer of charges from one body to another was
made, by establishing connections between the movement of charges (microscopic level). The
results of implementing the sequence indicate that a considerable number of students have achieved
a more satisfactory understanding of the electrical capacitance of bodies and charging processes.
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This seems to confirm that the aspects highlighted in the sequence are relevant to the objectives
specified.
Key words: Capacitor; Electrical capacitance; Teaching as a development of guided research.
Introducción
Una de las características de la investigación en Enseñanza de las Ciencias de las dos
últimas décadas, ha sido la gran cantidad de investigaciones sobre las concepciones alternativas de
los estudiantes (Wandersee et al., 1994). La fundamentación teórica de estos trabajos se ha basado,
en general, en las teorías constructivistas del aprendizaje. Estas, reconocen la necesidad de entender
la naturaleza de las ideas, creencias y formas de razonamiento de los estudiantes en todos los
niveles de enseñanza y proponen utilizar este conocimiento para mejorar las estrategias de
enseñanza de las ciencias.
Una de las áreas de la física que cuenta con un mayor número de estudios sobre
concepciones alternativas, para un amplio intervalo de edades, es la electricidad (Duit, 2006).
Existen dos razones principales para tan elevado número de trabajos. La primera, es que la
electricidad es un tema central del currículo de física en cualquier nivel de enseñanza, ya sea
primaria, secundaria o universidad. La segunda razón es que los conceptos de electricidad son
particularmente abstractos, y se necesitan analogías y metáforas para explicarlos desde un punto de
vista microscópico (Mulhall et al., 2001). Además, los conceptos de electricidad, frecuentemente se
encuentran relacionados con otros conceptos previos del área de mecánica (Galili, 1995).
Tradicionalmente el currículo de electricidad para cursos introductorios de física comienza
por el estudio de cargas puntuales y cuerpos cargados en reposo (electrostática) para, a
continuación, analizar el movimiento de cargas en circuitos eléctricos de corriente continua. Sin
embargo, no se suele contemplar una secuencia de enseñanza que analice la transición de cargas
puntuales a cuerpos cargados y que construya un modelo capaz de explicar los procesos de carga de
un cuerpo. Estos procesos son fundamentales en el estudio de la electricidad, principalmente, por
dos razones. En primer lugar, suponen una primera transición de la electrostática a la
electrocinética, aunque el contexto no sea un circuito eléctrico convencional. En este caso es
necesario analizar cómo se mueven las cargas desde la ‘fuente’ hasta el cuerpo cargado. El modelo
explicativo exige: a) un conocimiento significativo de la naturaleza eléctrica de la materia; b) saber
integrar los conceptos de carga y potencial eléctrico. Así mismo, es preciso hacer notar que la
obtención de cuerpos capaces de acumular mucha carga, a un bajo coste, es una necesidad en las
aplicaciones tecnológicas más frecuentes de los procesos eléctricos. Esto constituyó un problema
histórico relevante cuya resolución no fue sencilla y exigió la introducción de un nuevo concepto, el
de capacidad eléctrica (Guisasola et al., 2002).
Los resultados de la investigación señalan que los estudiantes presentan serias dificultades
en el aprendizaje de un modelo de la naturaleza eléctrica de la materia que explique los fenómenos
electrostáticos básicos como la inducción eléctrica (Guruswamy et al., 1997; Furió y Guisasola,
1999; Park et al., 2001). La falta de conocimiento sobre la naturaleza eléctrica de la materia ha sido
señalada como una de las razones de los problemas de los estudiantes para explicar fenómenos que
se encuentran en la frontera entre la electrostática y la electrocinética. Park et al. (2001), muestran
que el 50% de los estudiantes universitarios de primer curso creen que las cargas eléctricas no
pueden moverse en aislantes. Como resultado, los fenómenos de polarización en aislantes no son
correctamente interpretados (Viennot, 1996; Galili, 1995; Furió et al., 2004).
Diferentes investigaciones indican que la mayoría de los estudiantes de bachillerato y
universidad, muestran falta de conocimientos acerca del potencial y de la diferencia de potencial,
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conceptos que frecuentemente son utilizados de forma aislada e indefinida (Thacker et al., 1999;
Psillos, 1998). Los estudiantes e inclusive algunos profesores (Mulhall et al., 2001), evitan utilizar
estos términos en las explicaciones de fenómenos eléctricos, incluso cuando se les pregunta
específicamente por ellos. En su lugar, utilizan términos como carga o electricidad (Stocklmayer &
Treagust, 1996). Benseghir y Closset (1996), muestran que los estudiantes confunden el concepto
de diferencia de potencial con el de carga eléctrica, perdiendo el primero su significado.
Respecto a los procesos de carga eléctrica de cuerpos y el concepto de capacidad eléctrica,
en trabajos anteriores (Guisasola et al., 2007a; Guisasola et al., 2008a), hemos encontrado que la
mayoría de los estudiantes de Bachillerato (16-18 años) y de primeros cursos de universidad
explican el proceso basándose en el paso de carga desde donde hay una mayor cantidad hacia donde
hay una menor cantidad de carga. Explican, que el movimiento de cargas es debido a la diferencia
de la cantidad de cargas existente entre dos cuerpos unidos por un cable o, entre la batería y el
cuerpo. De acuerdo con estas explicaciones no es necesario utilizar el concepto de diferencia de
potencial para el justificar el proceso. Por tanto, el concepto de capacidad eléctrica se restringe al de
la cantidad de carga que un cuerpo puede acumular, asociándolo al tamaño y despreciando su forma
(geometría). Esto implica, omitir los fenómenos de polarización de la materia y, excluir, el concepto
de capacidad eléctrica en los cuerpos neutros (Guisasola et al., 2007a). Además, un número
significativo de estudiantes utilizan las fórmulas de potencial eléctrico y de capacidad eléctrica sin
dotarlas de significado. Parece ser, que cuando los estudiantes no atribuyen significado a estos
conceptos se refugian en sus definiciones operativas y razonan en base a estas fórmulas (Viennot,
1996).
Para terminar, la investigación muestra que centrar la discusión de las dificultades de los
estudiantes en los conceptos no es suficiente (Bransford et al., 2000). Es más efectivo señalar
explícitamente los problemas que probablemente vayan a encontrarse los estudiantes en su
aprendizaje. Este enfoque es importante cuando se trata de la enseñanza de la capacidad eléctrica y
del modelo explicativo de los procesos de carga eléctrica de cuerpos a nivel universitario. Los
estudiantes han estudiado las propiedades de los cuerpos cargados en la enseñanza secundaria y en
la cultura cotidiana y, por tanto, comienzan sus estudios universitarios de física con concepciones
sobre estos temas.
El trabajo que aquí presentamos tiene como objetivo el diseño y evaluación de una
secuencia de enseñanza centrada en el modelo explicativo de los procesos de carga de un cuerpo,
que intente superar las dificultades de aprendizaje detectadas. El objetivo es que los estudiantes
aprendan con comprensión el concepto de capacidad eléctrica de un cuerpo en situaciones de carga.
En este trabajo no se abordan situaciones de circuitos RC de corriente continua, que se han dejado
intencionadamente para la lección de corriente continua. Las preguntas que tratamos de responder
en esta investigación son las siguientes:
•
¿Cómo diseñar una secuencia de tareas que ayude a los estudiantes en la comprensión de los
procesos de carga de cuerpos y, por tanto, a utilizar la capacidad eléctrica?
•
¿Cuánto aprenden los estudiantes después de implementar la secuencia en clase? Después de
la instrucción, ¿cómo explican los estudiantes la capacidad eléctrica de los cuerpos y los
condensadores? En concreto, ¿explican los estudiantes el proceso de carga de cuerpos
mediante el concepto de diferencia de potencial? Además, ¿son capaces de explicar
científicamente el concepto de capacidad eléctrica de un cuerpo y de un condensador?
En primer lugar, presentamos el enfoque educativo desde el que hemos diseñado la
secuencia de enseñanza y el contexto de aprendizaje. En segundo lugar, discutimos el universo de
conceptos y procedimientos implicado en un aprendizaje comprensivo del concepto de capacidad
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eléctrica, a nivel de cursos introductorios de física y especificamos la secuencia de enseñanza. En
tercer lugar, describimos el estudio empírico de la enseñanza desarrollada, en el que se evalúa la
efectividad de la secuencia para mejorar el aprendizaje. Se han utilizado diversos cuestionarios y
entrevistas para evaluar el aprendizaje de los estudiantes (Watts, Gould & Alsop, 1997; White &
Gunstone, 1992).
El contexto de aprendizaje: la enseñanza/aprendizaje de la física basada en el desarrollo de
investigaciones guiadas
La secuencia de enseñanza diseñada se encuentra enmarcada dentro de un nuevo enfoque
para la Enseñanza de la Física basada en el Desarrollo de Investigaciones Guiadas (EFDIG), para un
primer curso de universidad. Este proyecto ha sido desarrollado para cursos de Ingeniería en la
Universidad del País Vasco (Guisasola et al., 2007b; Guisasola et al., 2008b). El objetivo de EFDIG
es reformar las clases magistrales aumentando la implicación de los estudiantes con la intención de
mejorar su aprendizaje y disminuir el índice de fracaso. El enfoque EFDIG recomienda una
metodología de aprendizaje activo y el diseño de la secuencia de enseñanza se basa en el análisis de
los contenidos, las ideas alternativas de los estudiantes y la historia del desarrollo del pensamiento
en la evolución conceptual de la física.
El principal enfoque de nuestras estrategias de enseñanza se basa en un punto de vista socioconstructivista, para el diseño y evaluación de secuencias de enseñanza (Leach & Scott, 2002;
Guisasola et al. 2008b). De acuerdo con Leach y Scott (2002) este enfoque asume la perspectiva de
Vygotsky sobre el desarrollo del aprendizaje como una función mental derivada de la interacción
social (Vygotsky, 1978). Vygotsky al analizar los contenidos del lenguaje y el pensamiento,
distingue entre conceptos ‘espontáneos’ o ‘cotidianos’ y conceptos ‘científicos’. Los conceptos
‘espontáneos’ son aquellos que se aprenden sin una atención consciente, mediante las interacciones
de la vida cotidiana, mientras que los conceptos ‘científicos’ son conceptos formales que se
originan en las disciplinas concretas y que sólo se aprenden mediante la instrucción. El análisis de
las relaciones entre contenidos del lenguaje y pensamiento han sido desarrolladas por Bakhtin
(1986) y Wertsch (1991) al referirse al concepto de “lenguaje social” utilizado por diferentes
sectores de población al referirse a una misma temática. Por ejemplo, no es el mismo lenguaje el
utilizado por los físicos al referirse a las cerámicas que el utilizado por los propios artesanos. En
esta perspectiva el diferente ‘lenguaje social’ y formas de hablar que son introducidas y ensayadas
en el plano social de la clase, ofrecen los significados para que los estudiantes desarrollen una
variedad de formas de hablar, pensar y entender el mundo de la ciencia. Basados en esta perspectiva
Leach y Scott (2002) resaltan dos características principales de la orientación socio-constructivista
en la enseñanza (p. 121): a) el lenguaje utilizado por los científicos para describir el mundo no es
meramente descriptivo. Al contrario, cada comunidad específica crea con objetivos bien definidos,
entidades de lenguaje específicas para describir, explicar y predecir el comportamiento del mundo;
b) La comunidad científica realiza elecciones sobre el conocimiento científico apropiado para cada
situación.
De acuerdo con lo anterior, la enseñanza de las ciencias puede ser conceptualizada en orden
a saber como introducir al aprendiz en una forma de “lenguaje social” de la ciencia. Desde esta
perspectiva, una primera característica clave de la secuencia de enseñanza y su implementación es
la forma en que el conocimiento científico es presentado en el plano social de la clase. De acuerdo
con este enfoque socio-constructivista, nosotros proponemos el proceso de enseñanza como la
introducción por parte del profesor de una o varios “situaciones problemáticas” que se desarrollan
gradualmente durante la secuencia de enseñanza. Una primera característica clave de la secuencia
de enseñanza surge en relación con la presentación de estas “situaciones problemáticas”. Para su
presentación hemos seguido la estructura propuesta por Osuna et al. (2007), quienes indican que
“las actividades deben ofrecer a los estudiantes oportunidades genuinas para formular y poner a
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prueba ideas, analizar datos y, realizar experimentos para someter a prueba las ideas” (p. 283). La
secuencia, ‘estructura’ estas tareas en consonancia con dos objetivos principales. En primer lugar,
hacer que en todo momento la puesta en escena de la situación problemática sea inteligible,
interesante y plausible para los estudiantes. La secuencia de actividades y las propias actividades
deben tener sentido para los estudiantes. En segundo lugar, guiar a los estudiantes en la utilización
de los procedimientos científicos para familiarizarlos con los métodos del trabajo científico (Gil,
2003; Guisasola et al., 2009; Verdú et al., 2002). El planteamiento y resolución de situaciones
problemáticas es por naturaleza interactiva entre el profesor y los estudiantes, así como entre los
propios estudiantes Este enfoque asume que el aprendizaje de las ciencias es un proceso, en el que
los propios estudiantes se sitúan en un proceso de resolución de problemas de interés, que les
permita construir soluciones a partir de sus propios conocimientos, sus experiencias y su sistema de
valores (favoreciendo un cambio o evolución en sus significados). Como señala Lijnse (2004),
“knowledge is (guidedly) constructed for a certain purpose. And it is accepted by those who
construct it to the extent that it functions productively for that purpose” (p. 540).
De acuerdo con el enfoque descrito, hay una clara diferencia entre plantear a los estudiantes
una situación problemática en el plano social de la clase y hacer que los estudiantes construyan un
significado para esa situación. Dar sentido a una situación problemática requiere del estudiante la
utilización de acciones intelectuales y procedimentales que pertenecen a lo que Vygotsky (1989)
llama un proceso de “internalisation”, aquel por el que las personas construimos significados y que
hace referencia al papel del profesor como ayuda en el progreso del estudiante en la denominada
zona de desarrollo potencial. Vygotsky define el nivel evolutivo potencial como el resultado de
procesos evolutivos cognitivos que se encuentran en procesos de maduración, y que se manifiestan
a través de acciones intelectuales y operativas que un individuo puede desarrollar bajo la guía de un
experto o en colaboración con otro compañero más capaz. Este nivel define una “zona de desarrollo
potencial próxima” a la que el aprendiz puede acceder si es convenientemente guiado. La segunda
característica clave de la secuencia que emerge aquí es la intervención del profesor para apoyar la
“internalisation”, de los estudiantes sobre la situación problemática y su resolución. Esta segunda
característica implicará, guiará y apoyará a los estudiantes en el análisis funcional de las variables
que pueden intervenir en la solución del problema así como en el diseño de experimentos que
permitan establecer evidencias empíricas de la funcionalidad de la teoría explicativa. Así mismo, las
actividades orientadas al análisis de resultados darán pie a la posibilidad de conflictos entre
posiciones explicativas diferentes (Gil, 2003).
La tercera característica clave de la secuencia de enseñanza es el diseño de actividades que
apoyen la ‘internalisation’ a niveles de conclusión y consolidación. Diseñar actividades que
permitan poner en práctica las nuevas ideas, ponerlas en común con otros grupos y explicarlas en
informes individuales o de grupos. La secuencia de actividades debe guiar a los estudiantes a que
decidan el marco explicativo adecuado y si es necesario, a que se generen expectativas en ellos para
que el profesor pueda mediar induciendo a la introducción de nuevos conceptos, que se precisan. Al
finalizar esta fase del trabajo se espera que exista un marco explicativo, consensuado en el aula,
cuyos elementos esenciales coincidan con los objetivos curriculares. Por otra parte, es razonable
suponer que la teoría explicativa consensuada en el aula, contenga elementos de explicaciones
anteriores que han sido reformulados y adaptados a la nueva teoría (Guisasola et al., 2008b).
De acuerdo con el enfoque descrito, la implementación de la secuencia tiene varias
implicaciones en el contexto de aprendizaje. No todas ellas se concretan obligatoriamente en cada
parte de la secuencia como ‘una receta’ a seguir; depende del problema que se plantee (Guisasola et
al., 2007b):
•
Aspectos sociales del problema. Se trata de hacer ver el interés que tiene el problema para los
estudiantes de forma que se impliquen en su resolución y a la vez, sean concientes de los
objetivos de su estudio. El profesor guía a los estudiantes para que tengan una primera
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aproximación cualitativa al problema, tomen decisiones para concretar el problema y después,
definan los objetivos específicos a lograr. En esta primera fase del trabajo, es necesario resaltar
que el comienzo de la resolución del problema no empieza desde el marco teórico, como
usualmente sucede en los libros de texto, sino que lo hace situándolo en sus implicaciones
tecnológicas y sociales.
•
Análisis y trabajo en grupo, esta es una fase compleja que implica la emisión de hipótesis con
criterios fundamentados, lo que supone utilizar la imaginación y la creatividad, y diseñar
posibles estrategias de resolución de problemas. Los estudiantes trabajan en pequeños grupos (3
estudiantes), evalúan sus ideas personales, añaden otras nuevas y llegan a un consenso o bien se
manifiestan en desacuerdo.
•
Guía del profesor y puesta en común en la clase, El profesor se mueve entre los grupos, discute
las ideas con los estudiantes y, si es necesario, reconduce la discusión proponiendo preguntas
relevantes para el proceso de resolución del problema. La guía del profesor se basa en proponer
‘preguntas relevantes’. Estas ‘preguntas relevantes’ ayudan a los estudiantes a situarse en una
posición que orienta su conocimiento y sus habilidades en una dirección que les permita avanzar
en la resolución del problema. El representante de cada grupo de alumnos presenta en la puesta
en común el acuerdo logrado por el grupo; todos los caminos de resolución de la tarea son
discutidos bajo la dirección del profesor y se formula un consenso en clase.
•
Informe individual, en el que cada estudiante explica la resolución realizada de la tarea
concretando los pasos realizados y el modelo explicativo construido. Informa sobre lo que ha
aprendido, así como sus dudas y problemas pendientes. En la siguiente clase, el profesor suele
comentar las dudas y cuestiones que los estudiantes plantean en sus informes.
A continuación explicamos la secuencia de aprendizaje, algunas tareas de la misma y
ejemplos de su desarrollo en la clase. Debido a la necesaria brevedad de un artículo, sólo
mencionaremos algunas de las actividades realizadas en la secuencia de enseñanza. Sin embargo,
para aquellos profesores interesados en replicar la experiencia o conocer con mayor detalle la
implementación realizada, tienen todas las actividades de la secuencia, con los comentarios para su
implementación en clase, en el libro “Actividades para el Aprendizaje del Electromagnetismo en
Primer Curso de Física para Ciencias e Ingeniería” (capítulo 2) que está publicado en el Open
Course Ware de la Universidad del País Vasco en el sitio web: http://ocw.ehu.es/ensenanzastecnicas/actividades-para-el-aprendizaje-del-electromagnetismo-en-primer-curso-de-fisica-paraciencias-e-ingenieria/Course_listing
Descripción de la secuencia de enseñanza y su implementación en la clase
Un aprendizaje con comprensión del concepto de capacidad eléctrica implica conocer lo que
sucede en el proceso de carga del cuerpo; no es suficiente con saber calcular la magnitud a partir de
su fórmula. Para relacionar un razonamiento basado en una regla o fórmula, por ejemplo C=Q/V y
un razonamiento basado en lo que ocurre y cambia durante el proceso de carga del cuerpo, es
necesario activar un razonamiento sistémico. El razonamiento basado en una fórmula consiste en
una fijación a una estrategia en forma de algoritmo tipo que hace que los estudiantes no se planteen
la necesidad de justificar el tipo de modelo que adoptan para analizar una situación problemática
(Zohar, 1995; Closset, 1992) Por el contrario, en un razonamiento sistémico se consideran las
interacciones entre las diferentes partes (pila-entorno-cuerpo a cargar) y los cambios que suceden
(el paso de corriente y la distribución de carga en la materia), de modo que pueden explicar los
‘mecanismos’ que hacen posible establecer un nuevo equilibrio. Además, se tiene que explicitar que
la energía potencial eléctrica adquirida por el cuerpo al cargarse, es debida al trabajo realizado por
el entorno en el proceso. Hablar de energía potencial del cuerpo cargado y del entorno, nos permite
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establecer los procesos necesarios para explicar el nuevo equilibro alcanzado (Chabay & Sherwood,
2002).
El cuadro 1 representa un esquema de la secuencia de enseñanza con una “estructura
problematizada” (Verdu y Martinez-Torregrosa, 2005) que plantea problemas cuya resolución
implica el aprendizaje de conocimientos y habilidades del tema de capacidad eléctrica.
Cuadro 1. Estructura ‘problematizada’ de la secuencia del tema: “¿Cómo se cargan los cuerpos?, ¿cómo
podemos cargarlos de forma más eficaz?”
Secuencia de problemas Forma en que la ciencia trabaja y
Explicaciones científicas
que deben ser comprendidas
que debe de aprenderse
A. ¿Qué interés puede
A. La ciencia está interesada en los
tener acumular cargas
fenómenos naturales y sus
en los cuerpos?
implicaciones sociales.
B. ¿Cómo se almacena
carga en un cuerpo?
¿Qué es preciso para
que se almacene carga
en un cuerpo?
¿El proceso de carga
de un cuerpo tiene un
límite?
B. Cuando planteamos problemas,
la ciencia concreta el problema
para poder encontrar una
solución.
Familiarizarse con
observaciones empíricas o
informarnos sobre los
fenómenos estudiados.
Trabajar la organización de la
información experimental, la
emisión hipótesis y la selección
de estrategias correctas, para
obtener un modelo explicativo
inicial.
C. ¿De qué depende la
mayor o menor
facilidad de cargar un
cuerpo?
¿Qué sucede al
colocar un conductor
en la proximidad de
otro que se quiere
cargar?
¿Qué ocurre al
introducir diferentes
materiales entre las
placas de un
condensador?
Adquirir una concepción preliminar de
la tarea: ¿Cual es la relación entre la
carga acumulada y el potencial
adquirido por el cuerpo? Geometría del
conductor: su incidencia en la carga.
Diferenciación entre los conceptos de
carga y potencial.
Rigidez dieléctrica
Construir un ‘modelo sistémico de
diferencia de potencial’ (cuerpo,
generador, medio) que explique el
proceso de carga en base al trabajo
realizado para cargarlo.
C. Completar el modelo explicativo C. Establecer el concepto de capacidad
y definir nuevos conceptos
eléctrica de un cuerpo como la mayor o
menor facilidad para almacenar una
Contrastar el modelo propuesto
determinada carga realizando un
trabajo determinado. Definición
operativa de capacidad eléctrica.
¿Qué sucede cuando
cargamos cuerpos de
diferente tamaño y
forma?
D. ¿Cómo podemos
aumentar el
rendimiento del
proceso de carga?
B. Estudio descriptivo de la carga en
materiales conductores y dieléctricos.
La capacidad eléctrica es una
propiedad del cuerpo que depende de
su geometría (tamaño y forma) y del
medio en que se encuentra.
D. Trabajar la organización de la
información por medio de
simulaciones por ordenador,
emitir hipótesis y seleccionar
estrategias correctas, construir
un modelo explicativo.
Contrastar el modelo propuesto.
Diseñar y desarrollar
contrastaciones experimentales
o utilizar simulaciones.
Evaluar la validez del modelo y
sus limitaciones.
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D. Ampliar el modelo explicativo para el
caso de condensadores.
Utilizar el modelo explicativo de
capacidad eléctrica para optimizar el
almacenamiento de carga en un
condensador al introducir un
dieléctrico entre sus placas y modificar
su geometría
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La secuencia comienza con la parte A (30 minutos de clase interactiva), con una cuestión
acerca del interés que puede tener la acumulación de carga en los cuerpos. Se les pregunta sobre
aplicaciones tecnológicas en las que una parte básica de un dispositivo lo constituya un
condensador. Se trata de estimular el interés y la curiosidad de los estudiantes por la tarea a realizar.
Un ejemplo de este tipo de actividades, es el siguiente:
Actividad ¿Qué interés tiene la acumulación de carga en los cuerpos? Describe, hasta donde puedas, algún
aparato en el que sepas que una parte básica del dispositivo eléctrico, lo constituye un condensador. Si no se
te ocurre ninguno, busca en Internet información sobre:
a) El funcionamiento del flash en un máquina de fotos
b) Micrófono de condensador
c) Teclado de ordenador
d) Alarmas por caídas de tensión
En la parte B (1 hora de clase interactiva) de la secuencia se aborda el problema de explicar
cómo se carga un cuerpo (mirar cuadro 1, sección B), donde proponemos a los estudiantes que este
proceso puede interpretarse desde la idea, estudiada en el capítulo de electrostática, de que las
cargas eléctricas se mueven a través de un conductor cuando existe una diferencia de potencial. Por
ejemplo, una de las actividades de esta parte es la siguiente:
Actividad. Describe el proceso de carga de una esfera conductora de
radio R, que es conectada al polo positivo de una batería de 12 V,
estando el polo negativo conectado a tierra.
Calcula el trabajo necesario para cargar con carga Q, la esfera
conductora ¿Qué representa dicho trabajo?
R
D
C
+-
B
A
12 V
Tierra
A continuación indicamos algunas de las aportaciones realizadas por los grupos de
estudiantes, en la puesta en común, al discutir diferentes soluciones explicativas de la actividad:
Representante del Grupo 2: Pasarán electrones de la pila a la esfera hasta que ya no se puedan acumular más o se agote
la pila. No sabemos cómo calcular el trabajo, tendríamos que saber la fuerza con que se empuja a los electrones y el
espacio recorrido.
Representante del Grupo 6: No estamos de acuerdo, ya hemos visto que los electrones se mueven hacia potenciales
crecientes. Al comienzo del proceso, hay una diferencia de potencial entre el polo positivo de la pila (+12 V) y la esfera
(0 V), por tanto pasan electrones hasta que el potencial de la esfera sea de +12 V. cuando se igualan los potenciales ya
no pasan más electrones.
Representante del Grupo 8: Estamos de acuerdo con la explicación del grupo 6 ya que permite calcular el trabajo
realizado, mientras la del grupo 2, no. Si consideramos que el potencial es el trabajo realizado por unidad de carga, el
trabajo realizado habrá sido de 12Q julios.
Al final de la puesta en común el profesor resume y reformula el consenso, de acuerdo con
la explicación científica. Las cargas negativas se mueven, en el alambre, desde potenciales más
bajos hacia potenciales mayores. El ‘modelo sistémico de energía (diferencia de potencial)’
elaborado para el movimiento de electrones proporciona una interpretación coherente a nivel
microscópico del mecanismo de carga de cuerpos. Utilizar este modelo supone diferenciar las
nociones de carga y potencial eléctrico (energía), en la explicación del proceso de carga. El
aprendizaje de este “modelo sistémico de energía”, no es sencillo tal y como lo señalan los trabajos
indicados en la introducción.
Otro ejemplo de actividad de esta parte de la secuencia que guía a los estudiantes a analizar
diferentes factores involucrados en el proceso de carga, se muestra a continuación:
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Actividad. Es conocido que el aire se ioniza cuando está sometido a un campo eléctrico igual o mayor a 3 106 V/m.
¿Cuál sería el potencial máximo al que se puede cargar una esfera hueca conductora, de radio R = 40 cm., para que no
se descargue a través del aire? ¿Cuál sería, en ese caso, la máxima carga admitida?
Utiliza la simulación “Applet_Generador de Van de Graaff” para comprobar y justificar tus resultados.
La actividad trata de hacer pensar a los estudiantes no
sólo sobre las relaciones entre el campo y el potencial eléctrico
de un cuerpo cargado, sino también a realizar un análisis
sistémico, teniendo en consideración la fuente, el cuerpo
cargado y el medio donde se produce el proceso de carga.
En esta actividad, los estudiantes también trabajan con una
simulación
cuya
dirección
es:
(http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electric
o/graaf/graaf.htm), que representa un generador de Van de
Graaff cuya esfera metálica puede variar su radio y, también el
medio en el que se realiza la carga. Los estudiantes pueden
visualizar la carga que admite la esfera en función del radio (y
Figura 1. Generador Van de Graaff
alternativamente al variar el medio) y la energía potencial que
se acumula debido al trabajo mecánico de fricción realizado por
la correa del Van de Graaff. La figura 1 muestra el generador y la producción de cargas mediante el
trabajo mecánico de rozamiento y su acumulación en forma de energía potencial en la esfera, hasta
que se produce la ruptura dieléctrica. De esta forma, las evidencias experimentales contribuyen a
justificar el ‘estatus’ de teoría del modelo explicativo elaborado.
El modelo nos permite introducir en la parte C (1,5 horas de clase interactiva) de la
secuencia, el concepto de capacidad eléctrica de un cuerpo como la facilidad que tiene para
acumular carga realizando un trabajo determinado. Las actividades, para hacer de fuera de clase,
incluyen los diferentes factores del modelo (diferencia de potencial, carga del cuerpo, entorno,
campo eléctrico del cuerpo cargado,…), que deben se justificados por los estudiantes en el marco
del proceso de carga. Como ejemplo, veamos la siguiente actividad:
Actividad. La figura representa gráficamente la carga Q frente al potencial V
durante el proceso de carga de una esfera conductora y de una esfera aislante,
del mismo radio, mediante una pila de potencial Vpila. a) ¿Qué diferencias
observas entre las esferas durante la carga?, b) ¿Qué significado tiene que las
pendientes de ambas rectas sean diferentes? En concreto, que sea mayor la de
la esfera metálica. c) ¿Cómo representarías mediante una ecuación, este
hecho?
Q
Q2
E. metálica
Q1
E. aislante
V1
Vpila
V
La parte D (2 horas de clase interactiva), tiene como objetivo ayudar a los estudiantes a
desarrollar el modelo explicativo ya construido para que sea capaz de predecir una mejoría en el
rendimiento del proceso de carga. En este aspecto la introducción de un dieléctrico, ya sea
parcialmente o en su totalidad, contribuye a la mejora, idea que constituye el eje central del diseño
de la secuencia. En la actividad que sigue modelamos situaciones, analizamos variables,
contrastamos resultados mediante casos límite, planeamos las mejores condiciones para optimizar la
capacidad,… según una metodología cualitativa que ahonda en lo procedimental.
Actividad. Consideremos un condensador de placas planas y paralelas con carga Q y ya desconectado de la batería. Se
introduce, levemente entre placas una lámina dieléctrica de constante dieléctrica εr que va ocupando paulatinamente
todo el espacio vacío entre las placas.
a) Explica la razón por la que el condensador “empuja” al dieléctrico hacia su interior (en actividades anteriores se ha
analizado el efecto de los bordes en los condensadores).
493
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
b1) Determina la capacidad eléctrica de este condensador para una posición genérica como la que nos indica la figura.
Sugerencia: considera si el condensador propuesto puede ser considerado como la asociación de dos condensadores
diferentes. Justifica tu razonamiento.
b2) Comprueba la coherencia de la fórmula obtenida con algún caso límite de fácil interpretación física (por ejemplo,
puedes considerar x=0 o x=a así como considerar el vacío, εr =1). Compara la capacidad del condensador problema y la
capacidad del condensador en vacío, para diseñar las mejores condiciones (con sus ventajas e inconvenientes) bajo las
que aumente su capacidad.
b
x
d
a
c) ¿Qué sucede con la energía eléctrica almacenada en el condensador durante la introducción de la lámina? ¿Cómo se
podría calcular dicha variación?
d) Haz una estimación cualitativa acerca del tipo de dieléctrico a introducir para que la variación de energía eléctrica sea
mínima.
Utiliza la simulación “Applet_Fuerzas sobre un dieléctrico (II)” en:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/dielectrico2/dielectrico2.htm#Un%20oscilador%20eléct
rico para comprobar y justificar los resultados a los apartados c) y d).
El applet muestra la variación en la energía potencial del condensador en función de la
posición que va ocupando el dieléctrico. La función paso a paso (en la simulación), permite recoger
datos numéricos y confrontarlos con los obtenidos, según el modelo teórico, por los alumnos.
Asimismo la simulación hace posible cambiar de dieléctrico y poder comparar la variación de
energía potencial del condensador en función del valor de la constante dieléctrica relativa de
algunos dieléctricos como parafina, plástico, baquelita,…La simulación posterior (en la misma
página web), nos permite abordar la misma actividad pero con la batería conectada al condensador
(proceso ahora a potencial constante), estableciendo relaciones entre el trabajo que realiza la batería
en el proceso, el aumento de energía potencial eléctrica en el condensador y el trabajo realizado por
el campo eléctrico en el exterior para introducir el dieléctrico.
La utilización de actividades anteriores (efecto borde, experiencias de Faraday sobre la
introducción de dieléctricos en condensadores, las relaciones entre trabajo y energía, análisis
cualitativo de variables para optimizar los condensadores) supone atender la necesaria función
autorreguladora que en alumnos de este nivel universitario es preciso considerar.
Para finalizar esta breve exposición de la secuenciación queremos resaltar que a lo largo de
toda ella se realizan actividades que analizan aplicaciones tecnológicas relacionadas con CienciaTecnología-Sociedad, de forma que los estudiantes puedan apreciar el interés del estudio que se está
realizando.
Evaluación de la Secuencia de enseñanza
Contexto y muestra
La ubicación de la secuencia descrita, dentro del programa de física general de primer curso
de Ingeniería, se encuentra al final de la lección de electrostática y antes de la lección de circuitos
494
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
de corriente continua. La secuencia de enseñanza fue implementada y evaluada durante dos años
con estudiantes de ingeniería en su primer año universitario, en la Universidad del País Vasco. En el
segundo año de puesta en práctica participaron dos grupos experimentales (Grupo 1, N=42; Grupo
2, N=45) de estudiantes y otro grupo (Grupo C, N=40) del mismo nivel, como grupo de control. En
todos los grupos la enseñanza de la asignatura de física general duraba cuatro horas por semana,
durante dos semestres. La secuencia objeto de estudio se desarrolló durante 2 semanas. Los cuatro
profesores que tomaron parte en la experiencia se reunían, para comentar el desarrollo de la
secuencia, durante dos horas por semana. Esto permitió elaborar un protocolo minucioso para
analizar las actividades y tener en cuenta las habilidades cognitivas de los estudiantes.
Todos los estudiantes habían seguido previamente, como mínimo, dos cursos de Física que
comprendían temas de electromagnetismo durante la enseñanza secundaria post-obligatoria (16-18
años) en el sistema educativo español; habiendo superado un examen para acceder a una escuela de
Ingeniería. Dentro del programa de física general, antes de comenzar la parte de electromagnetismo,
todos los estudiantes de la muestra realizaron como pre-test el cuestionario elaborado por Maloney
et al. (2001) para evaluar el conocimiento de los estudiantes en electricidad y magnetismo. Los
resultados obtenidos mostraron que el conocimiento de los estudiantes en el área, puede describirse
en términos de un aprendizaje memorístico de conceptos, leyes, reglas y procedimientos, que
pueden ser útiles para resolver problemas estándar y ejercicios de examen, pero no proporcionan la
suficiente comprensión para que puedan ser aplicados esos conceptos en diferentes contextos y a
fenómenos diversos. No se encontraron diferencias significativas en las respuestas correctas entre
los tres grupos de la muestra. Concluimos que, inicialmente, los tres grupos tenían
aproximadamente el mismo nivel de competencia académica.
Los grupos experimentales y de control siguieron el mismo programa de contenidos y se
dedica el mismo tiempo al tema. Los grupos experimentales siguieron estrategias de enseñanza
enfocadas a la discusión de las actividades, de la forma en que se ha descrito en la sección anterior.
Sin embargo, estudiantes de control no tenían la oportunidad de participar activamente en el
desarrollo de la clase, limitándose a tomar apuntes de las explicaciones del profesor. En las clases
de control, el profesor comienza explicando las definiciones y leyes, seguidos de ejemplos estándar
de los libros de texto para el cálculo de la capacidad eléctrica, el condensador y la energía en un
condensador. Los profesores de los grupos de control tienen más de diez años de experiencia
docente en el Departamento de Física Aplicada de nuestra universidad y son investigadores
reconocidos en el área de Materiales. Los estudiantes del grupo de control tienen el mismo horario
de clases que los experimentales y disponen de dos horas a la semana para consultar con el profesor
en tutoría. Estas tutorías se limitan a las explicaciones del profesor sobre las dificultades de los
estudiantes al resolver los problemas del libro de texto que se han mandado como trabajo para fuera
del aula.
Evaluación de la secuencia
Diseñamos ‘actividades de recapitulación’ a lo largo de la secuenciación, con el propósito de
obtener información durante las clases. El objetivo era describir, con tanta precisión como fuera
posible, los caminos cognitivos de los estudiantes a través de las situaciones propuestas de
aprendizaje, para comprender cómo y en que medida la secuencia propuesta de enseñanzaaprendizaje, afectaba al razonamiento de los estudiantes. Se obtuvo información, en grabación
magnetofónica, de las discusiones de algunos grupos de estudiantes para cada ‘actividad de
recapitulación’. Las sesiones de observación tenían lugar dentro del desarrollo de la clase
experimental y durante el trabajo en grupo. Los estudiantes tenían que discutir la resolución de la
actividad y debían justificar su respuesta. A los grupos, formados por 3 o 4 estudiantes, se les grabó
la discusión sobre la actividad con su consentimiento. Cuando la discusión finalizó, los estudiantes
debían también presentar un informe escrito explicando sus conclusiones y justificándolas. El
495
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
análisis concierne a los registros en cinta de 11 grupos seleccionados al azar, en cada actividad. Para
completarlos, también se analizaron los informes (registros escritos) de los demás grupos.
Después de finalizar la secuencia evaluamos, a través de tres cuestionarios escritos, varios
aspectos de la construcción del modelo. Fueron pasados tres cuestionarios a los grupos
experimentales y al de control, cuatro semanas después de dar la secuencia de actividades.
Analizando las respuestas de los estudiantes sobre los cuestionarios, tratamos de mostrar la eficacia
pedagógica de la secuenciación respecto a los objetivos de aprendizaje propuestos (ver cuadro 1).
Se compararon las medias de respuestas consideradas correctas en ambos grupos.
Algunos resultados y discusión
Los estudiantes trabajaron en la construcción de un modelo explicativo sobre cómo se
cargan los cuerpos. Al principio, se construyó un ‘modelo sistémico de energía’ bastante simple
pero que permitía predecir los resultados en los procesos de carga y mejorar su eficacia. Los
estudiantes tuvieron la oportunidad de discutir en sucesivas partes de la secuencia las diferentes
etapas del modelo para ir completándolo: diferencia entre carga y potencial eléctrico, capacidad de
un cuerpo, influencia de otros cuerpos próximos, condensadores.
Diferencia entre carga y potencial
La mayoría de los estudiantes, al comienzo de la secuencia, analizan el proceso de carga en
función de la cantidad de carga que tienen los cuerpos en contacto y no mencionan la diferencia de
potencial. Estos razonamientos están de acuerdo con las investigaciones previas mencionadas. Las
actividades de la secuencia se han diseñado para que los estudiantes construyan el significado de
trabajo y energía para estos procesos.
¿En qué medida la secuencia ha ayudado a discriminar entre los conceptos de carga y
potencial eléctrico? Podemos comparar las respuestas de los grupos experimentales y de control en
cuestiones sobre procesos de carga en las que es necesario diferenciar entre ambos conceptos (ver
C1, C2 y C3 del anexo). Los resultados muestran (ver tabla 1) los efectos positivos de la secuencia
al hacer uso del concepto de diferencia de potencial para analizar el proceso de carga de un cuerpo.
Tabla 1. Resultados sobre la diferenciación entre carga y potencial
* Media de los grupos experimentales
Item
C1
C2
C3
Grupo 1
N=42
78,6
57,1
76,2
Porcentaje de respuestas correctas (%)
Grupo 2
Grupo M*
Grupo C
N=45
N=40
73,3
75,8
22,5
62,2
59,8
5,0
77,8
77,0
12,5
χ2
(p<0,001)
32,3
33,7
48,3
Algunas justificaciones dadas por los estudiantes nos indican que la secuencia seguida tiene
una influencia decisiva. Una mayoría de estudiantes, de los grupos experimentales, hace referencia
al concepto de diferencia de potencial y razonan en base a él. Se muestran algunos ejemplos:
“La canica se cargará hasta que los dos cuerpos tengan el mismo potencial, momento en que dejará de pasar carga por el
hilo. Además existirá un límite para la carga de la canica en función de su radio y de su constante dieléctrica” (cuestión
C1)
496
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
“Si variaría, porque la madera es peor conductor que el metal y por tanto se cargaría en la propia zona de contacto de
distinta manera, además que la carga que aceptaría sería menor porque el trabajo para llevarla será mayor y se igualará
con menor carga la diferencia de potencia entre los dos cuerpos” (cuestión C2)
“La mayor carga en la esfera metálica es la consecuencia de que en ella las cargas se distribuyen uniformemente por
toda la superficie, mientras que la de plástico se concentran en el punto de contacto, pero al repelerse no pueden
distribuirse por la superficie lo que implica realizar un mayor trabajo al soportar las cargas una mayor repulsión”
(cuestión C3)
La gran mayoría de los estudiantes de control razona en términos de cantidad de carga,
proponiendo que tiende a igualarse dicha magnitud en los dos cuerpos en contacto. Para el caso de
un cuerpo aislante, los estudiantes dicen que no está permitido el paso de cargas y que por tanto no
se carga. No es el objetivo de este artículo analizar los razonamientos erróneos de los estudiantes,
pues ya se ha realizado en otros trabajos (Guisasola et al., 2007a; Guisasola et al., 2008a).
Acerca de la capacidad eléctrica
Nosotros esperábamos que los estudiantes instruidos según la secuencia consideraran la
necesidad de introducir una nueva magnitud para medir la facilidad o dificultad que presenta un
cuerpo para cargarse eléctricamente. Esto suponía que los estudiantes tenían un significado
adecuado del concepto de capacidad eléctrica en base a una diferenciación significativa entre los
conceptos de carga, potencial y capacidad eléctrica. Algunas de las cuestiones utilizadas para la
evaluación de este punto se muestran en el anexo (ver C4, C5 y C6). Los resultados obtenidos a
estas cuestiones se encuentran en la tabla 2.
Tabla 2. Resultados sobre el significado de la capacidad eléctrica
* Media de los grupos experimentales
Item
C4
C5
C6
Grupo 1
N=42
88,1
61,9
54,8
Porcentaje de respuestas correctas (%)
Grupo 2
Grupo M*
Grupo C
N=45
N=40
86,7
87,4
12,5
64,4
63,2
2,5
62,2
58,6
7,5
χ2
(p<0,001)
66,5
41,0
29,3
Una mayoría de estudiantes de los grupos experimentales, entienden la capacidad como una
medida del grado de facilidad de un cuerpo para almacenar carga. Utilizan, por tanto, un significado
de tipo cualitativo del concepto de capacidad eléctrica, aunque aún hay un porcentaje apreciable de
ellos que realizan sólo una descripción de la formula. Una explicación estándar es la siguiente:
“La capacidad eléctrica de un conductor, es la mayor o menor facilidad que tiene de almacenar carga eléctrica y energía
eléctrica” (cuestión C5)
Si se razona de esta forma al considerar el concepto de capacidad no hay dificultad en
admitir que cualquier cuerpo, esté cargado o no, tiene capacidad eléctrica. Efectivamente, la gran
mayoría de los estudiantes experimentales (grupo M en C4), contesta correctamente a esta cuestión
(87,4%), mientras que la gran mayoría de los estudiantes del grupo de control razonan
incorrectamente. Estos últimos estudiantes se basan en la fórmula y razonan que si la carga es cero,
el cociente entre carga y potencial es cero también y por tanto no hay capacidad eléctrica. Por el
contrario, la mayoría de los estudiantes experimentales razonan de acuerdo con los siguientes
ejemplos:
“En las dos situaciones tiene capacidad eléctrica, ya que la capacidad no depende de la carga sino únicamente del
material y de la geometría” (cuestión C4)
497
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
“La capacidad eléctrica de un cuerpo se relaciona con su facilidad para cargarse. Por tanto, siempre tiene capacidad
eléctrica, esté cargado o no” (cuestión C4).
Los resultados a las cuestiones C4, C5 y C6 son convergentes y muestran que la secuencia
ha tenido influencia en que los estudiantes distingan entre la expresión operativa de la capacidad
eléctrica y su significado.
Sin embargo, existe una disminución de razonamientos correctos cuando los estudiantes
analizan los fenómenos de interacción eléctrica en dieléctricos (cuestiones C2 y C6 en las Tablas 1
y 2). Será por tanto necesario, prestar mayor atención a este punto en posteriores implementaciones
de la secuencia.
Influencia eléctrica entre cuerpos próximos. Condensadores
Con ayuda de la secuencia esperamos que los estudiantes argumenten en el sentido de
considerar que el proceso de carga se establezca dentro de un sistema, que estaría formado por los
cuerpos y el medio (modelo sistémico de energía) y, consecuentemente, no razonen en base a cada
cuerpo aislado. Esto supone entender la utilidad de los condensadores como dispositivos idóneos
para aumentar la eficacia del proceso de carga y, por tanto, de la capacidad del sistema. Las
respuestas de los estudiantes a algunas de las cuestiones sobre los aspectos anteriores (ver C7, C8,
C9 en anexo) se muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Resultados sobre influencia eléctrica y condensadores
* Media de los grupos experimentales
Item
C7
C8
C9
Grupo 1
N=42
88,1
73,8
73,8
Porcentaje de respuestas correctas (%)
Grupo 2
Grupo M*
Grupo C
N=45
N=40
86,7
87,4
22,5
77,8
75,9
20
73,3
73,6
15
χ2
(p<0,001)
52,1
35,7
38,0
La influencia eléctrica entre cuerpos próximos es reconocida por la gran mayoría de los
estudiantes que siguen la secuencia propuesta, al establecer una graduación en la facilidad de cargar
el cuerpo dependiendo de la inducción eléctrica con otros cuerpos y, en consecuencia, su influencia
en la carga o en el potencial eléctrico de los cuerpos que forman el sistema. Veamos algún ejemplo
de este tipo de respuestas:
“Esto se debe a que si la esfera R tiene carga positiva y R’ se carga por inducción con una carga negativa igual (el
alumno dibuja correctamente un esquema), se produce una influencia entre las dos esferas lo que hace que el potencial
del sistema disminuya. Si ahora conectamos la esfera exterior a un generador podremos cargarla más. Así, la capacidad
aumenta ya que aumenta la carga para un determinado potencial. Cuanto menor distancia haya entre R y R’, habrá más
aumento de capacidad debido a una interacción mayor (cuestión C9).
“Será más fácil el proceso de carga cuando en su proximidad haya un cuerpo A’ con carga –Q’, ya que aparece una
diferencia de potencial menor que hace más fácil que se acerquen las cargas positivas” (cuestión C7).
Discusiones grabadas e informe final
El análisis de la información recogida durante las discusiones nos ha permitido trazar el
camino seguido por los estudiantes en su aprendizaje, a través de las llamadas ‘actividades de
recapitulación’. Nos ha proporcionado información sobre la forma en que los estudiantes explican
498
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
las diferentes variables del modelo, desarrollando explicaciones y predicciones para los diferentes
fenómenos y problemas suscitados. Se muestra aquí una de las ‘actividades de recapitulación’
denominada ‘condensador variable’ (ver anexo), que fue discutida por los estudiantes después de
introducir, en la secuencia, el concepto de condensador. Se han encontrado tres tipos principales de
razonamiento:
1. La atracción entre las cargas de diferente signo de las barras hace que la barra A pueda
aceptar más carga, ya que la mayor proximidad de las cargas positivas en B atrae una mayor
carga negativa en A
2. En el sistema, las fuerzas eléctricas de atracción entre ambas barras realizan el trabajo de
acercar la B a la A. Se produce inducción eléctrica entre ambas barras que produce una
fuerte atracción entre sus cargas. Esta fuerza de atracción hace que queden ‘huecos libres’
en la barra A para que ‘quepan’ más cargas en ella y se produzca un paso de electrones del
generador a la barra A.
3. En el sistema se realiza un trabajo al acercar la placa B a la A. Este trabajo es realizado por
las propias fuerzas eléctricas del sistema ya que tenemos dos placas con cargas de signos
opuestos que se atraen. El sistema pierde inicialmente energía potencial eléctrica.
Microscópicamente es consecuencia de la disminución del potencial de B (debido a su
mayor cercanía a cargas negativas) y del aumento del potencial eléctrico de A (debido a su
mayor cercanía a cargas positivas), con lo que la diferencia de potencial entre B y A
disminuye.
Así, el aumento de potencial en A permite el transporte de electrones hacia la barra A,
aumentado su cantidad de carga. Esto posibilita que la introducción de carga negativa
disminuya ahora su potencial volviendo a equilibrarlo, ya que la presencia del generador
indica un proceso a potencial constante.
La mayoría de los grupos utilizaron la forma de razonamiento 3 en las discusiones y en el
informe final escrito. La forma de razonamiento 1 es empleada por algunos estudiantes de diversos
grupos, pero pronto fue rechazada por sus compañeros, en los debates de grupo, como una
explicación insuficiente o incompleta. Este tipo de razonamiento no aparece en ninguno de los
informes finales. La forma de razonamiento 2, aparece en 6 informes finales de un total de 23
grupos de las dos clases experimentales.
Si nos centramos en el razonamiento 3, que es el mayoritario, hemos constatado en las
grabaciones e informes escritos que es utilizado frecuentemente por los estudiantes para establecer
la relación entre el acercamiento de las barras y la variación de potencial del sistema. La
trascripción de la grabación corresponde a la fase final de la discusión cuando los estudiantes tienen
que concretar su explicación para escribir el informe.
S2
S3
S2
S3
S1
S4
S1
S4
...al acercarse la barra cargada positivamente a la otra barra se hace un trabajo
¿Quién hace el trabajo?
No entiendo, ¿Qué quieres decir?
Sí, el trabajo lo realizan fuerzas, ¿Son fuerzas del sistema o interviene una fuerza exterior? ...yo
creo que el trabajo de acercamiento lo hace la fuerza de atracción eléctrica entre las barras
cargadas con diferente signo.
Lo que quiere decir es quien hace el gasto de energía para ver si el sistema ha ganado o perdido
energía.
Pero... ¿para qué vamos a analizar los cambios de energía? Lo que nos pregunta es si pasa carga
a la barra de abajo o no
En clase hemos visto que el paso de cargas es debido a que hay una diferencia de potencial
entre dos puntos. Yo pienso que habrá paso de cargas si hay diferencia de potencial entre la
barra y la batería ...
Vale, pero ¿cómo sabemos si ha cambiado el potencial de la barra cargada negativamente?
499
Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
S2
S3
S4
S1
S2
Pues, por el trabajo. Si el sistema realiza un trabajo pierde energía potencial.
Sí, al acercar las barras disminuye la diferencia de potencial entre ellas. Luego la barra cargada
negativamente tiene más potencial y se produce un paso de cargas de la batería a la barra.
O sea, que antes la barra cargada negativamente y la batería estaban al mismo potencial. Por
ejemplo, 12 voltios. Después, la barra ha aumentado su potencial, por ejemplo a 16
voltios,...entonces pasará carga de la batería a la barra.
Eso es. Además, debido a que la barra adquiere más carga llegará un momento en que vuelva a
tener 12 v. Y ya no pasará más carga.
En este proceso de acercamiento lo que hemos hecho ha sido aumentar la capacidad del sistema.
Cuando las barras se acercan es más fácil cargar.
Al final del proceso se pone de manifiesto que el concepto de fuerza eléctrica (razonamiento
tipo 2) no es suficiente para explicar ni el paso de corriente a la barra A, ni el aumento de la
capacidad del sistema. El papel que juega la fuerza eléctrica en el proceso es reconocido por todos
los grupos, pero también es completada con los conceptos de trabajo y energía potencial porque no
es aceptable un análisis del fenómeno sólo en términos de fuerza eléctrica.
En este sentido, el ‘modelo sistémico de energía’ propuesto en la secuencia parece ser una
herramienta útil, que puede ser eficazmente utilizada por los estudiantes. Frecuentemente, el
recuerdo de algunos elementos de la secuencia hace que los estudiantes superen sus dificultades en
la discusión y no se bloqueen en el proceso de resolución. El modelo explicativo de la secuencia
resulta efectivo sólo cuando se adopta un punto de vista energético y sistémico en el análisis de los
procesos. Han quedado excluidas de la secuenciación consideraciones sobre el campo eléctrico y el
potencial eléctrico en el movimiento de cargas, en circuitos dc y circuitos RC, que se analizarán en
capítulos posteriores.
Conclusiones y perspectivas
El objetivo de este artículo ha sido diseñar e implementar una secuencia de enseñanza sobre
el concepto de capacidad eléctrica en el contexto de procesos de carga de cuerpos y de
condensadores. Una comprensión del modelo que explica estos fenómenos y la utilización
comprensiva de los conceptos de capacidad y potencial eléctrico, resulta problemática para una
proporción significativa de estudiantes. Los principios físicos y definiciones incluidas en ellos son
considerados básicos para un modelo explicativo del movimiento de cargas en un conductor. Sin
embargo, se ha observado que los estudiantes presentan dificultades para explicar estos fenómenos
y sus procesos subyacentes. En particular, utilizan razonamientos causales basándose en la fórmula
de la capacidad y sus aspectos más operativos y no utilizan el concepto de potencial de forma
comprensiva.
Hemos diseñado una secuencia basada en un marco general de enseñanza-aprendizaje como
desarrollo de investigaciones guiadas y con estrategias de enseñanza de carácter socioconstructivista. La estructura de la secuencia se concretó en actividades siguiendo un diseño de
‘estructura problematizada,’ resumida en el cuadro 1. Los problemas que definen la secuencia se
han concretado al realizar un análisis paso a paso de la transferencia de cargas de un cuerpo a otro,
estableciendo relaciones entre el movimiento de las cargas (nivel microscópico) y el análisis
energético del sistema (nivel macroscópico).
Después de implementar la secuencia, un considerable número de estudiantes han alcanzado
una comprensión más satisfactoria sobre la capacidad eléctrica de los cuerpos y los procesos de
carga. Esto parece confirmar que los aspectos resaltados en la secuencia son relevantes para los
objetivos definidos. En particular, resulta esencial incidir en los aspectos explicativos sobre
procesos de carga de un cuerpo que incluyan relaciones comprensivas entre carga, potencial
eléctrico y capacidad eléctrica, así como en la realización de un análisis sistémico basado en la
500
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variación de energía potencial que tenga en cuenta, no sólo el cuerpo a cargar, sino también su
entorno. Desde este punto de partida, el modelo explicativo proporciona a los estudiantes una visión
‘no acumulativa de carga’ permitiéndoles realizar predicciones correctas sobre la evolución de la
capacidad eléctrica de un sistema. El carácter cualitativo del modelo proporciona a los estudiantes
un conjunto de ideas que les permite argumentar eficazmente sobre los procesos de carga y la
capacidad eléctrica de los cuerpos. Después de la implementación de la secuencia el número de
respuestas correctas obtenidas en el cuestionario es significativamente alto, comparado con el grupo
de control y con los resultados de investigaciones previas obtenidas con poblaciones similares.
El análisis retrospectivo de la secuencia también muestra puntos débiles en nuestra
metodología de diseño. Los resultados de los cuestionarios y grabaciones muestran que la
comprensión de los estudiantes en situaciones donde se trabaja con cuerpos aislantes es
notablemente menor que en situaciones donde se trabaja con conductores (ver resultados C2 y C6).
Tenemos que considerar que las actividades para este tipo de situaciones deben ser mejor analizadas
y rediseñadas. Así mismo, a lo largo de las secuencia hemos encontrado que los estudiantes no
desarrollan sus habilidades sobre manejar y construir modelos en el grado que nosotros
esperábamos. La gran mayoría de los estudiantes podían describir el modelo y utilizarlo, pero tenían
problemas para hacer modificaciones del modelo y desarrollarlo de acuerdo con las nuevas
observaciones empíricas. Etkina et al. (2006), sugieren que las habilidades de razonamiento
científico son difíciles de desarrollar sin un currículo específicamente diseñado para que los
estudiantes practiquen y se involucren en la construcción y desarrollo de modelos. Mientras que
para la enseñanza secundaria española sí hay programas de ciencias específicamente dirigidos a este
objetivo, en la enseñanza universitaria, y en concreto en electromagnetismo, hay muy pocos
materiales didácticos en esta dirección.
Es necesario comentar que los resultados de aprendizaje obtenidos son de evaluaciones
realizadas a lo largo de la implementación de la secuencia y cuatro semanas después de haberla
finalizado. Debido a que el tema se impartió en la segunda parte del cuatrimestre, resultó imposible
volver a juntar a los estudiantes con el objetivo de pasar una prueba de ‘recuerdo’ seis meses
después de finalizada la enseñanza del tema. Por tanto, los resultados obtenidos muestran
evidencias del aprendizaje logrado, pero no se pueden extrapolar al aprendizaje a largo plazo.
Por otra parte, los resultados que se muestran corresponden al segundo año de puesta en
práctica de la secuencia. Debido a que, después del primer año de implementación, las actividades
de la secuencia y la propia secuencia sufrieron importante modificaciones, no es posible hacer
comparaciones entre los dos años de implementación, así como establecer relaciones en el
aprendizaje. Los resultados del primer año sirvieron fundamentalmente para valorar la estructura de
la secuencia y las actividades como soporte de ayuda al profesor en guiar el aprendizaje de los
estudiantes. Por otra parte, el posible “efecto novedad” en relación al profesor queda disminuido en
su segundo año de aplicación y, en relación a los estudiantes experimentales queda muy diluido,
porque a lo largo del cuatrimestre suelen trabajar en el aula con la dinámica que se ha descrito.
Desde un punto de vista más general, hemos podido ver que los problemas de validación de
la secuencia no pueden desligarse de los problemas de su diseño. El desarrollo de un análisis previo
detallado en diferentes dimensiones, diseñar sucesivos problemas que definan las situaciones
concretas de aprendizaje y anticipar posibles caminos de aprendizaje hacen posible el evaluar
objetivos de enseñanza específicos. Por tanto, la descripción de posibles caminos de aprendizaje,
diseño concreto de la secuencia y validación de los objetivos del proceso de enseñanza-aprendizaje,
deben ser atendidos simultáneamente.
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Recebido em: 04.12.08
Aceito em 23.03.11
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Investigações em Ensino de Ciências – V15(3), pp. 485-506, 2010
Anexo 1
Cuestionario 1: Carga y potencial
C1. Una canica metálica se conecta con otro cuerpo cargado mediante un hilo metálico. Entonces:
a) La canica aceptará carga de forma indefinida hasta que se agote la carga del otro cuerpo.
b) Llegará un momento en que la canica no aceptará más carga, aunque el otro cuerpo siga cargado.
c) Otra posibilidad.
Explicación:
C2. Si la canica de la cuestión anterior, fuera de madera, ¿variaría en algo el proceso de carga?
Explicación:
C3. Dos esferas de igual radio R, una de metal y otra de plástico, se conectan por separado (ver figuras) a un
generador de 15 voltios. ¿Cuál de ellas adquirirá más carga? ¿Por qué?
R
Metal
R
Plástico
15V
15V
Cuestionario 2: Capacidad eléctrica de un cuerpo
C4. Considera un mismo conductor en dos situaciones diferentes:
a) su carga neta es nula. ¿Dicho conductor tiene capacidad eléctrica?
b) su carga neta es positiva +Q. ¿Dicho conductor tiene capacidad eléctrica?
C5. Explica lo que significa para ti la capacidad eléctrica de un conductor. ¿Tiene sentido hablar de la capacidad de un
aislante?
Razona.
C6. Considera un mismo conductor en dos situaciones diferentes:
a) se encuentra rodeado de aire
b) se encuentra sumergido en aceite
Razona acerca de si la capacidad eléctrica del conductor en aire es mayor menor o igual que la capacidad del
conductor en aceite
Cuestionario 3: Condensador
C7. Consideremos un conductor A con carga +Q. ¿Cuándo resultará más fácil seguir cargándolo y aumentar su
carga?
a) Cuando está aislado
b) Cuando se le acerca otro conductor A´ cargado con +Q´
c) Cuando se le acerca otro conductor A´ neutro
d) Cuando se le acerca otro conductor A´ cargado con -Q´
C8. Un cuerpo A tiene una carga neta Q positiva y se le acerca otro
cuerpo B. La capacidad de A, debido a la presencia de B, ¿aumentará,
disminuirá o se mantendrá igual?, cuando:
a) B tenga una carga neta q positiva.
b) B tenga una carga neta q negativa.
c) B tenga una carga neta nula.
Justifica tus respuestas, en cada uno de los casos
505
Cuerpo
cuerpo A
A
+Q
Cuerpo
B
cuerpo B
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C9. Es conocido que una corteza esférica de radio R (ver situación
1), tiene una capacidad eléctrica menor, que el sistema formado
por ésa misma corteza rodeada de otra esfera hueca de radio R’>R
(ver situación 2).
¿A qué crees que pueda deberse?
R
R
R’
situación 1
situación 2
“Condensador variable” (Ejemplo de una actividad para la discusión en grupo)
Sean dos placas A y B situadas a una distancia d y cargadas con carga igual y de signo contrario. Las placas están
conectadas a un generador G que proporciona un voltaje V. En las condiciones indicadas, no hay paso de corriente (ver
figura).
B
+++++++++++++++
+Q
d
A
–Q
- - - - - - - - - - - - - - -
G
Al acercar la placa B positiva a la negativa, se observa que hay paso de carga del generador a la placa A. De forma que
la placa A negativa queda cargada con una carga –Q’, mayor que la inicial –Q.
B
d
+Q
+++++++++++++++
A
– Q’
- - - - - - - - - - -------
G
a) ¿Por qué se carga más la placa negativa?
b) ¿Cuándo tiene el sistema mayor capacidad eléctrica?
c) Establecer una relación cuantitativa entre el trabajo realizado, el campo eléctrico entre las barras (considerarlo
uniforme) y la diferencia de potencial.
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